NO325374B1 - Lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebronn for oket oljeutvinning - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning og/eller for seismisk kartlegging av reservoaret, hvor lydkilden drives av trykksatt gass fra en kompressor eller en trykkbeholder på overflaten, og at gassen føres til en i lydkilden anbrakt sylinder med en akkumulator via en tilførselsledning.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning.

Foreliggende oppfinnelse er en forbedring av norsk patent 175498 som angår en fremgangsmåte for stimulering av oljebrønner under utnyttelse av lydbølger som sendes ut fra oljebrønnen ved hjelp av en hydraulisk operert lydkilde eller hammer. Herværende oppfinnelse viser en ny utførelse av lydkilden som dobler effekten av stimuleringen av en oljebrønn.

Hittil har det bare vært mulig å gjenvinne deler av den olje som forefinnes i underjordiske oljereservoarer p.g.a. de spesielle bindingskreftene som holder oljen fast i formasjonen. Dette er en kombinasjon av kapillarkrefter, adhesive krefter, kohesive krefter og hydrauliske krefter.

Hovedandelen av oljen vil forbli i reservoaret helt til ny teknologi vil gjøre det mulig å øke gjenvinningsgraden ved å påvirke de bindingskreftene som låser olje til formasjonen.

I og med at de påviste reservene i et oljereservoar representerer store økonomiske verdier er det av største interesse å finne frem til metoder og utstyr for å kunne øke utvinningsgraden av olje.

US 5,031,717 viser en generator for å lage en seismikk-bølge forbruk til seismisk kartlegging av reservoaret. Verktøyet som er beskrevet er konstruert utelukkende for å benyttes for seismisk logging av en oljebrønn. Det er ikke ment for, og heller ikke brukbart til, kontinuerlig oljeproduksjon.

US 6,250,386 beskriver søkerens egen innretning som drives med hydraulisk olje, hvor prinsippet for generering av lydbølger stort sett er det samme som ved foreliggende oppfinnelse. Forskjellen mellom det som beskrives i dette patentet og foreliggende oppfinnelse er imidlertid at i denne tidligere innretningen drives den hydraulisk opererte hammeren med trykkolje gjennom et ventilsystem. Dette medfører høyt forbruk av hydraulisk olje som igjen gir ustabil drift ved at den hydrauliske oljen ikke er komprimerbar som en gass.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å vise et nytt verktøy for å øke gjenvinningsgraden og muliggjøre start av oljeproduksjon fra oljebrønner hvor produksjonen allerede har stoppet opp eller er sterkt avtagende. Dette oppnås ved hjelp av lydbølger, hvor man har runnet at den beste virkning oppnås når lydbølgene genereres og sendes til formasjonslagene i fra den oljeproduserende oljebrønnen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en lydkilde for stimulering av oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning, kjennetegnet ved at lydkilden drives av en trykksatt gass fra en kompressor eller en trykkbeholder på overflaten, og at gassen føres til den i lydkilde anbrakt sylinder med en akkumulator via en tilførselsledning.

Ved fremgangsmåten plasseres det i brønnen en vertikalt oscillerende vibrator (hammer) som drives av naturgass/olje, ved at komprimert naturgass føres til vibratoren fra en kompressor eller et batteri av gassflasker under trykk, og hvor ekshaust-gassen fra vibratoren først føres ned og rundt hammerelementet slik at dette er omsluttet av gass og deretter ut og føres opp av brønnen i mellomrommet mellom foringsrøret og produksjonsrøret. Vibratoren generer elastiske lydbølger ved at en plunger i denne slår an mot et eller flere ekspansjonsstykke(r), og sender lydbølgene inn i reservoaret som elastiske lydbølger med en repetisjonsfrekvens fra noen få til flere hundre i minuttet og hvor frekvensen i bølgetoget er sammensatt av klangkarakteristikken i anslaget fra plungeren og som er funnet å ligge i området fra 100 Hz ned til noen få Hz.

Innenfor den såkalte sekundære oljegjenvinning foregår det på verdensbasis intensiv forskning for å finne frem til metoder som øker oljeutbyttet. Disse omfatter metoder fra injeksjon av kjemikalier, elektrisk stimulering, elektromagnetisk stimulering og også forskjellige metoder for akustisk stimulering. Interessen er særlig rettet mot forholdene rundt overflatespenningen mellom olje og vann hvor man har prøvd å løse problemene her ved injisering av tensider og surfaktanter.

Foreliggende oppfinnelse egner seg for bruk også i forbindelse med slike metoder og sammen med elektrisk og elektromagnetisk stimulering som bl.a. er beskrevet i norsk patent 161.697 og US patent. 5.282.508.

Følgende kan oppgis for hvordan lydbølgene påvirker oljeproduksjonen og hva som er funnet gjennom laboratorieforsøk med stimulering av tredimensjonale oljereservoarer.

Drivmekanismene i et reservoar kan være følgende:

Foreliggende oppfinnelse kan benyttes i forbindelse med samtlige av disse mekanismene.

I forbindelse med løst gass i oljen, vil gassen ekspandere som små dråper i oljen når trykket synker, eller når reservoaret oppvarmes og trykket er under det kritiske punkt.

Gassboblene vil fortrenge oljen slik at oljen vil strømme i reservoaret i trykkfallretningen.

Oljedråpene er ofte omgitt av vann, og det forefinnes meget få partikler som kan gi vekstdannelser for boblene. Man vil i dette tilfellet få en boblepunkt-heving i samsvar med hevingen av kokepunktet, og det trykk ved hvilket boblene dannes, vil være vesentlig lavere enn den foreliggende temperatur skulle indikere.

Trykket må da senkes slik at boblene kan begynne å vokse på de mikrobobler som forefinnes i alle væsker. Det er påvist at lydvibrasjoner påvirker boblepunkt-hevingen slik at kokingen lettere kan starte. I tillegg til dette vil grenseoverflatespenningen mellom olje og gass hindre en strøm av olje i reservoaret. Disse grenseoverflatespenninger er relativt små mellom olje og gass, og reduseres ved økende trykk. Man vil derfor oppnå en meget stor virkning allerede ved svake vibrasjoner.

Laboratorieforsøk har vist at man i en bergmatriks hvor oljestrømmen har stoppet opp, vil kunne starte strømningene igjen med utnyttelse av en så svak vibrasjon som 0,04 g. Man har i denne forbindelse oppnådd gjenvinning på 80% av den innfangede olje.

Dette forklares med at når oljestrømmen har stoppet, vil det ha dannet seg en likevekt-tilstand som kan endres ved hjelp av svak lydstimulering.

Da lydsvingninger forplanter seg i radiell retning fra brønnen, og oljen strømmer i retning mot brønnen, vil man oppnå optimal virkning med minimalt energiforbruk. Videre er det påvist at olje og andre fluider strømmer lettere igjennom et porøst medium når mediet påvirkes av vibrasjoner.

Dette forklarer hvorfor til og med en væske som ses på som en Newtonsk væske, vil oppføre seg som et tiksotropt fluidum i små dråper. I grenseområdet mellom den strømmende væske og de omgivende porer, vil molekylene «rette seg opp" som følge av større eller mindre polaritet.

Vibreres væsken, så oppnås såkalte kapillærbølger i fluidet, slik at molekylene ikke vil fa tid til å etablere polaritetskoplinger. Det tiksotrope fluidet blir tynnere og oljen vil strømme friere.

Lydenergien som absorberes i reservoaret vil gå over i varme og derved øke gasstrykket som følge av partiell fordampning. Dette vil også gi øket oljegjenvinning.

Det er en stor fordel at varmen genereres i selve reservoaret og således ikke må transporteres til formasjonen ved hjelp av varmeledning eller damptilførsel eller lignende.

Når vann har penetrert produksjonsbrønnene, står man ofte overfor den situasjon at store oljemengder er fanget i reservoaret som følge av de virkende kapillærkrefter.

Intensiv forskning har vært gjennomført for å utvikle tensider som skal kunne redusere disse kapillærkrefter. Det antas at en lydbehandling sammen med bruk av tensider vil være fordelaktig, da metoden er meget godt egnet til å senke grensespenningene.

Man har vært i stand til å gjenvinne olje fra vannfanget olje ved hjelp av lydstimuleringer, men man har da vært nødt til å benytte kraftige vibrasjoner (5-1 Og) og vibrasjonsretningen har vært den samme som strømningsretningen.

I ovennevnte US patent. 5.282.508 er det beskrevet en rekke forskjellige utførelser av vibratorer for stimulering av et oljereservoar sammen med elektrisk stimulering. Disse vibratorene drives av elektrisk kraft, men drift av vibratorer med elektrisk kraft i det miljøet som forefinnes i en oljebrønn, har vist seg å føre til store praktiske isolasjonsproblemer siden spenningene som benyttes ligger på rundt 1500 volt. Det har således vært behov for å utvikle en vibrator som kunne drives med en annen energikilde enn elektrisitet. Det mest naturlige var å tenke på anvendelse av hydraulikk eller gass, men problemet som oppstår ved å benytte en tradisjonell vibrator som benyttes til f.eks. pelearbeider eller hydrauliske hammere på gravemaskiner, er at en må bruke 2 tilførselsledninger for olje. For korte distanser der det mulig å benytte 2 ledninger, men når en snakker om en oljebrønn på flere tusen meter, er dette umulig p.g.a. trykktapet i ledningen.

Det har også vist seg at for norsk patent nr. 175498 vil selv det å bare bruke en trykkledning ned til hammeren over store distanser føre til så betydelige strømningstap i tilførselsledningen at effekten av hammeren blir dramatisk redusert.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å vise en utførelse hvor en isteden for hydraulikk, bruker naturgass eller en annen gass som kan være for eksempel nitrogen eller C02. For å oppnå dette, må følgende betingelser oppfylles: En må ha en kompressor etter en beholder eller flasker fylt med den gassen som skal anvendes som kontinuerlig mater gass til vibratoren. I og med at denne ikke kan styres med ventil fra overflaten p.g.a. avstanden til vibratoren, må det i denne være anordnet et stempel hvor trykket fra gassen løfter dette og plungeren opp og en akkumulator på oversiden av stemplet som fungerer som en fjær som kan akselerere plungeren nedover. Dette oppnås ved en spesiell ventil som aktiveres nå plungeren har nådd sin høyeste posisjon. Ventilen er slik konstruert, at når den skifter posisjon ved at plungeren støter an mot denne, så ledes gassen på undersiden av stemplet ned langs plungeren som løper i et rør som omslutter denne. Når plungeren slår an mot ekspansjonsstykkene som er løst forankret i røret som plungeren løper i, aktiverer selve stemplet ventilen slik at denne skyves nedover hvormed gass igjen føres til undersiden av stemplet og prosessen gjentar seg. Frekvensen som hammeren slår med bestemmes av den mengde gass som mates inn i vibratoren og kraften, dvs. hastigheten som plungeren akselereres med, bestemmes av trykket på akkumulatoren på oversiden av stemplet som kan innstilles fra gang til gang eller brønn til brønn. I motsetning til vårt tidligere patent, hvor plungeren er beskrevet å løpe olje, har det vist seg at oljen demper hastigheten så mye at ca. 50% av effekten tapes i friksjonsvarme. I herværende utførelse hvor plungeren løper i gass, tapes det ikke friksjonsvarme og effekten optimaliseres således.

Funksjonen av vibratoren kan beskrives slik:

Om trykket til gassen settes til pl bar, er det dette trykkes som løfter plungeren og komprimerer gassen på oversiden av stemplet. Kraften som plungeren akselereres med er bestemt av trykket akkumulatoren på oversiden av stemplet og tyngens akselerasjon av plungeren. Stempelet og plungeren får en akselerasjon a=F/G hvor G er stemplet og plungerens masse i kg. Plungerens hastighet ved anslaget beregnes av v=(2gs)<0,5> hvor s er vandringsveien i meter. Tiden for vandringen fås av t = v/a. Ved anslagstidspunktet har stemplet og plungeren akkumulert en kinetisk energi E = G<y2>/! (Nm). Effekten i anslaget uttrykkes med impulssetningen P=E/At hvor At er stopptiden til stemplet. Forsøk har vist at en med moderate dimensjoner kan akkumulere ca 3000 Nm og med en stopptid på ca. 10 ms oppnå en effekt i anslagsøyeblikket på 300.000 W.

Dette er i forsøk vist å kunne gi nedenstående akselereasjonsforløp målt fra senter av brønnen.

Foruten å kunne benytte vibratoren til stimulering av en oljebrønn med tanke på å få opp mer av oljen i reservoaret, vil vibratoren kunne benyttes som en kontinuerlig arbeidende seismisk lydkilde for kartlegging av reservoaret og hvordan fluidene i dette forandres etter som oljen strømmer i reservoaret. Dette vil ha meget stor betydning - spesielt i offshore oljebrønner for å kunne planlegge produksjonen fra hver enkelt brønn med tanke på optimalisering av den totale utvinningen fra reservoaret.

Søkeren har tidligere beskrevet ekspansjonselementer som en del av et splittet rør som plungeren løper i. Dette har i forsøk vist seg å ikke kunne fungere p.g.a, av utmattingspåkjenningene i røret ved at dette får en pendlende bevegelse. I tillegg fører ekspansjonselementet til en konsentrasjon av anslagskraften mot foringsrøret som unngås ved herværende oppfinnelse ved at ekspansjonselementene er løse stykker som ligger på langs i utfresinger i røret som plungeren løper i. På den siden av ekspansjonselementene som ligger an mot foringsrøret, er disse parallelle med dette og med en sirkulær form som stemmer med rørets innvendige diameter.

Ekspansjonselementene som ellers har en rektangulær form, er skråskåret i hver ende som vender inn i røret. På oversiden av ekspansjonselementene ligger disse an mot et anslag som har samme koniske form som skråplaten på elementene, men er på oversiden som mottar slag fra plungeren tilnærmet flatt.

Motsatt ende av ekspansjonselementene er utstyrt med den samme skråplate som i den øvre enden og her ligger de an mot et konisk anslag som er sveiset fast i røret som plungeren løper i.

I tillegg til å ha ett sett med ekspansjonselementer på ett sted på røret, kan det være flere sett med ekspansjonselementer som er separert fra hverandre med et mellomliggende anslag som er konisk i begge ender, men hvor det siste anslaget som er utformet som nevnt over.

For å oppnå best mulig effekt av lydbølgene, kan elementene som ligger overfor hverandre være forskjøvet i forhold til hverandre. Dersom det for eksempel brukes par av elementer, kan det nederste av parene være forskjøvet 90 grader i forhold til det første. Med dette oppnås det at en genererer 2 lydbølgetog med 90 graders faseforskjell. Når disse lydbølgende treffes, vil det oppstå interferens der hvor bølgetopp og bølgetopp møtes slik at amplituden øker.

Oppfinnelsen forklares i større detalj med henvisning til etterfølgende tegninger, hvori

Figur 1 viser oppbygningen av hammeren, dvs. lydkilden, ifølge oppfinnelsen.

Figur 2 viser de forskjellige fasene av hammeren i drift.

Figur 3 viser et perspektiv av hammeren med sine forskjellige komponenter.

Figur 4 viser hammeren opphengt i produksjonsrøret.

Under henvisning til figur 1 er selve vibratoren med alle sine komponenter opphengt i enden av produksjonsrøret G) hvori det er montert en vanlig nikkepumpe som transporterer olje fra brønnen til overflaten. A) Viser en sylinder som rommer ventilarrangementet, stemplet og akkumulatoren og er festet på oversiden til et endestykke som produksjonsrøret er festet til og nedre ende til et delingsstykke som inneholder ventilen og hvor røret C) er festet til. I røret C) løper plungeren B) som slår an mot anslaget D). Når dette presses ned, kiler dette ut ekspansjonsstykkene E) mot foringsrøret C). I nedre ende av ekspansjonsstykkene er anordnet et motslag F) som er festet til røret C).

Under henvisning til figur 4 vises hammeren opphengt i produksjonsrøret G) som har en åpning I) for transport av olje til pumpen som ligger i røret. J) viser en sjokkdemper som kan lokaliseres mellom selve hammerenheten og produksjonsrøret for å dempe rekylen opp i dette. Videre kan hammeren understøttes i bunnen av en brønn hvor dette er hensiktsmessig med en bolt K) som ligger an mot et anslag J) i bunn av brønnen. Anslaget kan være av stål eller støpejern som igjen ligger på en sementplugg som er støpt i røret. Dersom et slikt anslag ikke kan arrangeres, kan hammeren henge fritt i produksj onsrøret.

Claims (4)

1. Lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning, karakterisert ved at lydkilden drives av trykksatt gass fra en kompressor eller en trykkbeholder på overflaten, og at gassen føres til en i lydkilden anbrakt sylinder med en akkumulator via en tilførselsledning.

2. Lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning ifølge kravl, karakterisert ved at det i et hus i lydkilden er anordnet en ventil som når stemplet har nådd lavest punkt, skyver dette til en nedre stilling hvormed gassen på undersiden av stemplet løfter dette opp til at plungeren i vibratoren skyver stemplet opp slik at gassen i sylinderen dreneres langs plungeren og hvormed trykket i akkumulatoren akselererer stemplet nedover til plungeren når sitt anslagspunkt hvoretter syklusen gjentas.

3. Lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning i henhold til krav 1 og 2, karakterisert ved at gassen som evakueres fra sylinderen løper ned langs plungeren og røret som omslutter denne og videre ut på undersiden av plungeren slik at den løper i gass.

4. Lydkilde for stimulering av et oljereservoar eller en oljebrønn for øket oljeutvinning i henhold til krav log2, karakterisert ved at ekspansjonselementene som slår an mot foringsrøret i brønnen består av flere sett ekspansjonselementer over hverandre som separeres med mellomliggende anslagstykker som er koniske i begge ender og at ekspansjonselementene har en vinkelfordreining slik at de ikke ligger rett over hverandre.